芭蕉叶沼气发酵潜力研究

邵琼丽，李建昌，张无敌

(云南师范大学太阳能研究所，云南 昆明 650500)

芭蕉，属芭蕉科，为多年生草本植物，是热带主要果树之一.在我国主要分布在秦岭淮河以南地区[1].茎高达3～4 m，不分枝，丛生.叶大，长可达2～3 m，宽约40 cm，呈长椭圆形，性喜温暖耐寒力弱，茎分生能力强，耐半荫，适应性较强，生长速度较快.生长期间应随时剪去黄叶，以烧徒耗养分，并影响美观.沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴等直接燃烧.而中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价.农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明.发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义.

近年来， 国内不少人做了大量探索以寻求新的发酵物料.刘继红等[2-3]对四季青废料厌氧发酵产气潜力进行了研究，孙和临等[4]对茶树叶产沼气潜力进行了研究，为了寻求更优的沼气发酵工艺和更好的原料，使沼气发挥其在能源与环境界的重大作用，使沼气发酵技术得以推广应用，我们必须需要不断的探索，不断地实验.所以本实验以芭蕉叶为原料探究其厌氧发酵的产气潜力，一方面使修剪下来的芭蕉叶得到充分利用，解决一部分农业废弃物；另一方面，也试图为农村沼气找到一种新的补充原料.

1 材料与方法

1.1 材料

发酵原料为芭蕉叶，试样采集后，用刀切成 3 ～ 5 mm 的碎段，并以实验室长期驯化的猪粪发酵残留物为底物的混合厌氧消化污泥为接种物.原料及接种物的总固体(total solid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)见表1.

表1 原料、接种物的TS和VS质量分数 %

1.2 实验装置

实验采用实验室自制的500 mL的批量式发酵罐在恒温水浴锅中进行恒温发酵.装置如图1所示.

1.3 方法

1.3.1 实验验方法

本实验采用批量发酵法，在30 ℃的恒温水浴锅里进行发酵.共设置了一个实验组，一个对照组，重复设3个平行试验，配料如下(按TS为5%计算).

实验组 120 mL接种物，61 g芭蕉叶，加水调至400 mL；

对照组 120 mL接种物，加水稀释至400 mL.

1.3.2 测试项目及方法

1) 总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS) 采用常规分析法[5]测定原料、接种物，以及发酵前后料液的TS、VS.

2) pH值 采用精密pH试纸测定接种物以及发酵前后料液的pH值.

3) 产气情况记录 本实验采用排水集气法收集气体，每天定时记录各实验组的产气量，根据沼气燃烧时的火焰颜色初步判断甲烷含量，并每5 d用气相色谱仪测定气体中甲烷的含量，一共测了6次.

2 结果与讨论

2.1 料液发酵前后相关指标的测定结果及分析

本实验进行了32 d，发酵结束后，对沼气发酵前后发酵料液的TS、VS和pH进行了比较分析，结果见表2.

表2 发酵前后料液的TS、VS及pH值

从表中得到发酵前后实验组、对照组的料液中TS、VS含量都不同程度地降低.这说明发酵过程中，原料被不同程度地消化并产生沼气.从表中的数据看，对于实验组，其原料的TS利用率为48.5%，VS利用率为52.0%.对于对照组，其TS、VS含量本身发生了变化，但变化较小，整个过程中只产生了少量的气体.是由于接种物中还有少量有机质可以供微生物生长代谢.从发酵过程前后pH值变化情况来看，实验组和对照组的pH值均呈下降趋势，分别为7.5和7.0，属于沼气发酵的最适pH范围[6]，说明芭蕉叶可以作为沼气发酵的原料.

2.2 日产气量、产气速率与甲烷含量测定结果与分析

实验启动后，每天定时记录产气情况，通过整理分析得到芭蕉叶厌氧发酵净日产气量(实验组的日产气量-对照组的日产气量)及产气速率随时间的变化曲线，如图2、图3所示.每5 d测一次甲烷含量，变化情况如图4所示.

由图2、图3、图4可知，芭蕉叶厌氧发酵实验启动速度较快，第1天产气量较大，是由于实验开始阶段，发酵罐中含有大量的空气，随着空气的排出，进入严格厌氧环境开始厌氧消化产沼气，产气量又逐渐降低，但随着接种物中产甲烷菌的生长代谢利用底物中最容易降解的一部分有机质产生气体，所以第4天达到了日产气的高峰，为425 mL，但由气相色谱仪测定结果可知，此时的甲烷的含量较低为40%～55%，这是因为发酵初期芭蕉叶被水解产生大量的CO2；第5天以后，产气量的总体趋势是下降的，此时发酵罐中主要处于厌氧发酵的产氢产乙酸阶段，使有机酸累积，导致环境pH值下降，从而抑制了产甲烷菌的活性，当有机酸累积到一定的程度又被产甲烷菌逐渐降解产生沼气，第12天再次出现产气高峰，为200 mL，这段发酵时期，经气相色谱仪测定甲烷含量为60%～70%.是产气质量最佳阶段，该阶段，持续几天产气量相对持平，到第17天后，随着底物中有机质的消耗，产气量总体呈稳定下降趋势，期间经气体成分分析可知甲烷含量为55%左右.第29天至第32天，虽然每天可以产少量气体，但均不能持续燃烧，甲烷含量较低.综上分析，芭蕉叶厌氧发酵曲线符合沼气发酵产气的一般规律：实验开始时产气较多，随后逐渐减少，然后再逐渐增加，达到产气高峰后，又逐渐下降.

从产气速率来看，整个发酵过程中，产气速率呈先快后慢的趋势，刚进入厌氧发酵的几天由于微生物对环境的适应及底物较难降解，所以产气速率较慢，第4天以后，由于微生物活性增高利用底物产生气体，直到第17天，产气速率都相对较快，但随着底物的消耗，产气速率又逐渐减慢，直到产气结束.

2.3 产气潜力

对实验过程中的相关数据进行计算整理得芭蕉叶的产气潜力，见表3.

表3 产气潜力

从表3中可以看出，整个发酵过程中，产气量共3 760 mL，产气率达428 mL/g·TS、563 mL/g·VS，原料产气率为62 mL/g、池容产气率为0.235 mL/(mL·d).在已知的同类沼气发酵原料中产气率不是最高，却也是较高的.

2.4 不同种类沼气发酵原料产气潜力的比较

为了详细说明芭蕉叶的产气潜力，将其TS产气率与其他发酵原料的产沼气潜力进行比较，结果如表4所示，表4中“倍数”是指芭蕉叶的TS产气率与其他发酵原料的TS产气率的比值.

表4 不同原料的产沼气潜力

从表4可以看出，在纤维素类等沼气发酵原料中，芭蕉叶的TS产气率偏高，与果皮类原料相比，TS产气率较低，这是由于纤维素难易降解从而影响产气量， 综合比较，芭蕉叶不仅产气周期短，产气率相对于同类原料相对较高.

3 结语

以芭蕉叶作为原料，在30 ℃恒温条件下进行批量式厌氧发酵实验，发酵时间为32 d，产气启动较快，且主要集中在前20天，到第20天时累积的产气量已超过总产气量的90%；芭蕉叶是一种良好的发酵原料，整个发酵过程共产气3760 mL，发酵前后pH值变化不大并维持在沼气发酵的较佳范围内，TS利用率为48.5%，VS利用率为52.0%．经过计算，芭蕉叶的日平均产气量为117.5 mL，原料产气率为62 mL/g，TS产气潜力为428 mL/g，VS产气潜力为563 mL/g，池容产气率为0.235；实验结果表明，与其他发酵原料相比，芭蕉叶发酵时间相对较短，具有较好的产气潜力，且在较短的时间内，TS产气率较高，本研究为实际沼气工程设计提供了理论依据，为芭蕉叶的资源化利用提供一条合理的途径.